潘云飛，羅德章，劉桂雄

（1.廣州能源檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510170；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引 言

應(yīng)用于液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的換向裝置主要有換入換出同向型與換入換出不同向型兩種。換入換出同向是指換向器噴嘴在工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)中相互切換時(shí)移動(dòng)方向一致（如應(yīng)用于日本國(guó)家計(jì)量院液體流量裝置的換入換出同向型換向裝置）[1]，換入換出不同向是指換向器噴嘴在工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)中相互切換時(shí)移動(dòng)方向相反（如應(yīng)用于德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換入換出不同向型換向裝置）[2]。目前國(guó)內(nèi)外研究者主要集中研究換向裝置換向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性誤差[3-5]，針對(duì)噴嘴擺動(dòng)、分流器固定式換入換出不同向型換向裝置換向過(guò)程中，噴嘴內(nèi)部水流流場(chǎng)變化造成的換向流量誤差所做研究較少，但該類(lèi)換向流量誤差客觀存在,尤其在液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中不可忽視。為降低液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度，研究分析噴嘴擺動(dòng)、分流器固定式換入換出不同向型換向裝置換向過(guò)程換向流量誤差具有實(shí)際意義。

1 換向流量誤差原理分析

圖1為應(yīng)用換入換出不同向型換向器的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線框部分為換向裝置。換向裝置工作原理為：1）噴嘴處于位置1，打開(kāi)閥門(mén)，水流進(jìn)入噴嘴，并從分流器左出口3流到回流罐，一段時(shí)間后噴嘴內(nèi)水流穩(wěn)定；2）啟動(dòng)氣缸，流量表計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，噴嘴從位置1擺動(dòng)到位置2，水流由噴嘴經(jīng)分流器出口4流到稱(chēng)重罐，換向裝置完成換入過(guò)程；3）經(jīng)過(guò)檢定時(shí)間后，再次啟動(dòng)氣缸，流量表計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，噴嘴由位置2擺動(dòng)到位置1，換向裝置完成換出過(guò)程，至此，換向裝置一個(gè)完整換向周期結(jié)束。

圖1 液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為換向裝置一個(gè)換向周期稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量物理模型。tTIstart、tTIstop分別表示換向裝置換入開(kāi)始與換入結(jié)束時(shí)刻，tMstart、tMstop分別表示流量計(jì)計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)與停止計(jì)時(shí)時(shí)刻，tTOstart、tTOstop分別表示換向裝置開(kāi)始換出與結(jié)束換出時(shí)刻，qin表示任意時(shí)刻t稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量，qconst表示換入過(guò)程結(jié)束時(shí)刻至換入過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻時(shí)間段內(nèi)稱(chēng)重罐恒定瞬時(shí)流量。

圖2 換向裝置一個(gè)換向周期流入稱(chēng)重罐的瞬時(shí)流量物理模型

由于存在計(jì)時(shí)啟動(dòng)延后誤差Δt1=tMstart-tTIstart，Δt2=tMstop-tTOstart，流量表計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)時(shí)刻會(huì)延后于換向器啟動(dòng)時(shí)刻[6]，故流量計(jì)實(shí)際計(jì)時(shí)時(shí)間為T(mén)real=tMstop-tMstart，換入時(shí)間為T(mén)TI=tTIstop-tTIstart，換出時(shí)間為T(mén)TO=tTOstop-tTOstart。

1）流量計(jì)實(shí)際流量QFreal為

2）稱(chēng)重罐實(shí)際流入流量QTreal為

3）換向流量絕對(duì)誤差QE為

4）換入過(guò)程流入稱(chēng)重罐流量QTI為

5）換出過(guò)程流入稱(chēng)重罐流量QTO為

在噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)不變條件下，換向過(guò)程tTIstart～tTIstop段瞬時(shí)流量曲線與tTOstart～tTOstop段瞬時(shí)流量曲線相互對(duì)稱(chēng)，故只要設(shè)置流量表計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟動(dòng)延遲Δt1，使得Q1=Q3，在保證換向裝置換向過(guò)程運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致、流量表計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟動(dòng)延遲一致、換入與換出時(shí)間相同條件下，則有 Δt1=Δt2，tTIstop-tTIstart=tTOstop-tTOstart，Q4=Q6，Q1+Q2=Q4+Q5，換向過(guò)程不存在換向流量誤差。但由于噴嘴在擺動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，故tTIstart～tTIstop段瞬時(shí)流量曲線與 tTOstart～tTOstop段瞬時(shí)流量曲線并不對(duì)稱(chēng)，在換向裝置換入換出過(guò)程運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致、流量表計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟動(dòng)延遲一致、換入與換出時(shí)間相同條件下，可得Q1=Q3，Q1+Q2=Q4+Q5，但Q4≠Q(mào)6，稱(chēng)重罐實(shí)際流入流量QTreal=QTI+QTO+qconst（tTOstart-tTIstop），換向流量絕對(duì)誤差QE=Q4-Q6=Q4+Q5-Q5-Q6=Q1+Q2-（ Q5+Q6）=QTI-QTO，故換向流量相對(duì)誤差 E 為

2 仿真方案

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖3為仿真物理模型和網(wǎng)格劃分示意圖。如圖所示，仿真實(shí)驗(yàn)將仿真對(duì)象分為1噴嘴、2過(guò)渡環(huán)境、3外部環(huán)境、4分流器左管道和5分流器右管道共5個(gè)部分，圖 3（ a）組成部分 1～5 與圖 3（ b）網(wǎng)格 1～5 相對(duì)應(yīng)。

圖中噴嘴入口處直徑為1m，出口處直徑為0.6m，噴嘴中線與豎直方向所成夾角為8°。考慮到換向裝置物理模型關(guān)于X-Y平面互相對(duì)稱(chēng)，以X-Y縱截面為仿真對(duì)象劃分網(wǎng)格，在滿足實(shí)驗(yàn)要求條件下既可以高效率利用計(jì)算機(jī)資源，又可以節(jié)省仿真時(shí)間[7]。如圖3（b）所示，采用塊劃分網(wǎng)格生成技術(shù)[8]對(duì)各組成部分進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分，然后將網(wǎng)格接合起來(lái)，形成仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格模型，網(wǎng)格質(zhì)量＞0.9。

圖3 仿真物理模型和網(wǎng)格劃分

分流器右管道處設(shè)置有一水平瞬時(shí)流量監(jiān)測(cè)平面S，噴嘴出口與過(guò)渡環(huán)境相接合處設(shè)置數(shù)據(jù)面-1，過(guò)渡環(huán)境與外部環(huán)境接合處設(shè)置數(shù)據(jù)接合面-2，外部環(huán)境、工作容器與旁路容器之間設(shè)置數(shù)據(jù)接合面-3，下方分流器出口處設(shè)置出口，其余各邊界面均設(shè)置為wall。

2.2 仿真條件與過(guò)程

仿真計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.000 1 s。仿真模型初始化為空氣單相狀態(tài)，溫度為25℃，噴嘴處于待換入狀態(tài)，噴嘴入口處水流流速為5 m/s，水密度為998kg/m3。以豎直方向入水1s后，啟動(dòng)用戶自定義（UDF）程序，噴嘴網(wǎng)格、過(guò)渡環(huán)境網(wǎng)格為滑移部分，以恒定角速度2rad/s逆時(shí)針繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)換向裝置換入過(guò)程，整個(gè)換入過(guò)程持續(xù)139.5ms。1s后，啟動(dòng)UDF程序，噴嘴網(wǎng)格和過(guò)渡環(huán)境網(wǎng)格以恒定角速度2rad/s順時(shí)針繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)換向裝置換出過(guò)程，整個(gè)換出過(guò)程持續(xù)139.5 ms。記錄換入換出過(guò)程監(jiān)測(cè)面S瞬時(shí)水流量數(shù)據(jù)。

仿真采用流體體積函數(shù)（VOF）兩相流模型[9]及顯式體積分?jǐn)?shù)模式[10]，可以最大程度地模擬實(shí)際水流流動(dòng)情況。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型[11]，該模型可達(dá)到比標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型更高的準(zhǔn)確度。

3 仿真結(jié)果分析

t=1.0000，1.0465，1.9300，1.1395，2.0000，2.0465，2.9300，5.1395s時(shí)刻換向過(guò)程氣-液相圖以及噴嘴內(nèi)部水流流場(chǎng)分布圖如圖4所示?？梢钥闯觯瑖娮鞌[動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部流場(chǎng)處于持續(xù)變化狀態(tài)。

在換向周期內(nèi)，噴嘴內(nèi)部水流速度場(chǎng)呈不對(duì)稱(chēng)分布，這就導(dǎo)致?lián)Q入換出過(guò)程中噴嘴出口流速分布不對(duì)稱(chēng)并引起換向流量誤差。

圖5為換向仿真過(guò)程稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量曲線圖。 取 tTOstart-tTIstop=50 s，由式（ 3）～式（ 6）可得：QTI=378.596 4 kg，QTO=384.872 7 kg，QE=-6.276 3 kg，QTreal=250263.4691kg，E≈0.0025%。其物理意義是：換入換出過(guò)程稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量曲線不對(duì)稱(chēng)，換入換出流量相對(duì)誤差達(dá)0.0025%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要仿真分析并估計(jì)換入換出不同向型換向裝置換向流量誤差。結(jié)果表明即使流量計(jì)啟動(dòng)計(jì)時(shí)時(shí)刻設(shè)置合理，并保證裝置換入換出過(guò)程運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致、計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟動(dòng)延遲一致、換入換出時(shí)間相同，換向過(guò)程仍會(huì)產(chǎn)生換向流量相對(duì)誤差，達(dá)0.0025%。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)減小該類(lèi)換向流量誤差是降低液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度的關(guān)鍵手段。

圖4 換向過(guò)程氣-液相圖以及噴嘴內(nèi)部水流流場(chǎng)分布圖

圖5 換向仿真過(guò)程稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量曲線圖

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